Wenn der Funke überspringt

ÜBERBLICK
GEOPHYSIK
Wenn der Funke überspringt
Entladungsphänomene über Gewitterwolken liefern auch neue Einsichten in normale Blitze.
Ute Ebert
Blitze sind zwar alltäglich, aber wie sich diese spektakulären elektrischen Entladungen entwickeln, ist
noch immer nicht quantitativ verstanden. In den
vergangenen zwei Jahrzehnten erhielt die Gewitterforschung neue Impulse durch die Entdeckung von
verschiedenen Entladungsformen oberhalb der Wolkendecke und von terrestrischer Gammastrahlung.
All diese Phänomene eröffnen einen neuen Zugang
zur Physik des Gewitters, nicht zuletzt, weil sie weniger komplex sind als normale Blitze und sich daher
leichter im Experiment oder im Computer simulieren
lassen.
PhotoDisc, Inc.
B
litze sind ebenso faszinierende wie furchteinflößende Himmelserscheinungen – zu Recht,
denn die Spannungen in einer Gewitterwolke
können bis zu 100 Megavolt erreichen, die Blitzströme
bis zu 200 Ampere. Dies entspricht einer elektrischen
Leistung von 20 Gigawatt. Wie gewaltig das ist, wird
deutlich, wenn man bedenkt, dass die installierte
Gesamtleistung aller Kraftwerke in Deutschland bei
120 Gigawatt liegt. Bei einer Stromdauer von einer
Zehntelsekunde beträgt die dissipierte Energie eines
Blitzes 500 kWh. Diese Energie lässt sich natürlich
nicht am Fußpunkt der Entladung abzapfen, sondern
erzeugt Blitz und Donner, elektromagnetische Strahlung und chemische Reaktionen über die ganze Höhe
der Entladung hinweg. Blitze produzieren auch Stickoxide und Ozon und sind damit eine wichtige Quelle
von Treibhausgasen.
In jeder Sekunde bombadieren über 40 Blitze unseren Erdball. Die aktivsten Gewittergebiete finden
sich über den Kontinenten in den tropischen Gebieten
nahe des Äquators. Über Europa blitzt es viel seltener,
wie Beobachtungen aus dem Weltraum deutlich zeigen
(Abb. 1). Die Daten von einem Satelliten auf niedriger
Umlaufbahn sind dabei zwar durchaus repräsentativ,
bieten aber kein vollständiges Bild.
Daher versucht das „World Wide Lightning Location
Network“ von der Erdoberfläche aus, alle hinreichend
starken Blitze weltweit zu messen.1) Als Sensoren dienen
Stabantennen, mit denen sich durch den Blitzstrom erzeugte, extrem langwellige elektromagnetische Wellen
nachweisen lassen. Bei Frequenzen von 8 Hz, 14 Hz etc.
(den „Schumann-Resonanzen“) können diese Wellen
im atmosphärischen Hohlleiter zwischen Erde und
Ionosphäre um den ganzen Erdball laufen. Prinzipiell
Wie sich Blitze entwickeln, ist im Detail noch kaum verstanden.
genügen drei Sensoren, um Ort und Zeitpunkt eines
jeden Blitzes auf der Erde zu bestimmen. Um aber
wirklich zufriedenstellende Daten der ganzen Erde zu
erhalten, wird das derzeit aus 40 Sensoren bestehende
Netzwerk weiter ausgebaut. Denn in den Industrieländern werden die Gewitter zwar gut vermessen, aber
nicht über den Ozeanen oder z. B. im Kongo, dem Land
mit der weltweit höchsten Blitzaktivität.
Blitzentladungen entwickeln sich in drei Phasen.
In der ersten Phase baut sich die elektrische Spannung in der Wolke auf. In den Gewitterwolken, die
sich mehrere Kilometer hoch auftürmen können,
1) Mehr Infos und aktuelle Bilder der globalen
Blitzaktivität finden sich
auf http://wwlln.net.
K O M PA K T
■
■
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■
Die Entwicklung von Blitzen lässt sich in drei Phasen
einteilen: Ladungstrennung, Wachsen eines „Entladungsbaums“ und elektrischer Kurzschluss.
Die Spannungen in Gewitterwolken erreichen zwar
rund 100 MV, reichen aber nicht aus, um allein den Blitz
auszulösen.
Als Auslöser kommen hochenergetische Teilchen der
kosmischen Strahlung oder eine Fokussierung der lokalen elektrischen Felder infrage.
Die Fokussierung lässt sich in Laborexperimenten und
Simulationen untersuchen. Dies liefert auch Erkenntnisse über neu entdeckte Entladungsphänomene oberhalb der Gewitterwolken.
© 2009 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 1617-9437/09/1212-39
Physik Journal 8 (2009) Nr. 12
39
Prof. Dr. Ute Ebert,
Centrum Wiskunde &
Informatica (CWI),
Science Park 123,
1098 XG Amsterdam,
Niederlande
NASA/MSFC/OTD
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1
2
3
4
herrschen enorme Turbulenzen, die Wassertropfen,
Eis- und Graupelteilchen wild umherwirbeln und ständig zusammenstoßen lassen. Dabei übertragen sich
elektrische Ladungen. Man geht davon aus, dass die
schwereren Teilchen vor allem eine negative Ladung
annehmen, die leichteren dagegen eine positive. Die
Schwerkraft trennt die Ladungen so, dass sich im einfachsten Fall der untere Wolkenrand negativ und der
obere Rand positiv aufladen. Auch komplexere Schichtungen kommen vor, und Scherströmungen können die
Schichten horizontal auseinander ziehen. Allerdings
fehlt zu diesem qualitativen Bild eine zufriedenstellende
quantitative Theorie, die erklärt, wie die Spannungen in
der Wolke 100 Megavolt erreichen können.
In der zweiten Phase wächst ein elektrisch leitender, oft stark verzweigter „Entladungsbaum“ durch
die Luft. Die Baumstrukturen der elektrischen Ströme
im Innern der Wolke, die natürlich von außen nicht
zu sehen sind, ließen sich vor kurzem durch genaue
Messungen der elektromagnetischen Felder am Boden
bestimmen [1].
5
>5 >10 >15 >25 >50 >100 >150
Abb. 1 Die weltweite Verteilung
von Blitzen im
Jahr 1999 lässt
deutlich die starke
Gewitteraktivität
in den äquatornäheren Gebieten
erkennen.
In der dritten Phase verbindet der Entladungsbaum
die Wolke mit der Erde und löst einen elektrischen
Kurzschluss aus, mit starken Strömen und starker
Ohmscher Aufheizung. Diese dritte Phase ist leicht zu
verstehen: Das heiße Plasma erzeugt den sichtbaren
Blitz. Starke Ströme fließen durch einen bestehenden
Plasmakanal, der sich dadurch weiter aufheizt und
expandiert. Diese plötzliche Expansion des heißen
Kanals erzeugt den Donner.
Die zweite Phase – der Aufbau der Entladungskanäle und des „Entladungsbaumes“ – wird jetzt gründlich
untersucht. Der vorliegende Artikel konzentriert sich
daher im Wesentlichen auf die wachsenden Entladungsbäume, die aus Streamern als „Pionieren“ und
nachfolgenden heißen Leadern bestehen. Wie sich
gezeigt hat, treten Streamer nicht nur in normalen
Gewittern auf, sondern auch in riesigen Entladungen
hoch über der Wolkendecke. Einige Anzeichen deuten
darauf hin, dass diese Entladungen auch die terrestrische Gammastrahlung produzieren.
Der zündende Funke
b
c
d
e
f
V. Ratushnaya
a
Abb. 2 Simulation einer Streamer-Entladung in Luft zwischen zwei ebenen
Elektroden: In die obere positive Elektrode ist eine Spitze eingesetzt, von der aus
der Streamer startet. Zu sehen ist das
Gasvolumen (ab der Elektrodenspitze)
mit elektrischen Äquipotentiallinien und
40
die Elektronendichte des Streamers (a).
Die Ausschnittsvergrößerungen zeigen
die Dichte der Elektronen ne (b), der
positiven Ionen n+ (c), die Raumladung
n+ – ne (d) und die elektrische Feldstärke
|E|, einmal ohne (e) und einmal mit überlagerten Äquipotentiallinien (f ).
Physik Journal 8 (2009) Nr. 12
Ob es sich um den Funken einer Zündkerze im
Automotor handelt, im Argon einer HochdruckGasentladungslampe oder um Blitze auf Erde, Venus
oder Jupiter – der Mechanismus ist grundsätzlich
derselbe. Ein hinreichend starkes Feld und eine
Anfangsionisierung sind nötig, um die Entladung
zu starten. Bei normalem Druck und Temperatur
lässt sich Luft erst ionisieren, wenn das elektrische
Feld den Durchbruchswert 32 000 V/cm übersteigt
und vorhandene Elektronen lokal so stark beschleunigt, dass diese bei der Kollision mit neutralen
Molekülen weitere Elektronen freisetzen können.
In dieser Kettenreaktion wächst der Ionisierungsgrad
stark an.
Die größten Felder, die im Innern einer Gewitterwolke mit aufsteigenden Ballons gemessen wurden,
betragen aber nur ein Zehntel des lokalen Durchbruchswertes. Die Frage nach dem Auslöser von Blitzen wurde daher in der Wissenschaft und in den Me-
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a
b 800
1500
1400
z in μm
1300
1200
1100
1000
100
0
y in
μm –100
100
0
–100 in μm
x
–200
200
750
700
650
600
z 550
500
450
400
350
–100
x
0
dien zu einem großen physikalischen Problem erklärt.
Es wurde argumentiert, dass als Auslöser für Blitze
nur die hochenergetische kosmische Strahlung infrage
käme, die schon in niedrigeren elektrischen Feldern
Lawinen von relativistischen Elektronen erzeugen
kann [2–4].
Allerdings zeigt eine simple Überlegung, dass dieser
Schluss sicher nicht zwingend ist. Ein Wolkenpotential
von 100 Megavolt auf 10 km Höhe klingt zwar beeindruckend, erzeugt aber nur ein mittleres Feld von 100
V/cm zwischen Wolke und Erde. Damit beträgt es
sogar nur 1/300 des Durchbruchswertes. Trotzdem
überbrückt der Blitz dieses Gebiet. Und er tut es in
gezackten Schritten mit Zwischenpausen (den so genannten stepped leaders), denen eine relativistische
Elektronenlawine sicher nicht folgen wird.
Dass ein „Blitzbaum“ durch ein solches Gebiet
wachsen kann, lässt sich mit einer lokalen Feldverstärkung an der Spitze des elektrisch leitenden und wachsenden Entladungskanals erklären.
In elektrischen Feldern, die im Mittel unter dem
Durchbruchswert liegen, so wie in einer Gewitterwolke, können z. B. spitze Elektroden, Wassertropfen oder
stark ionisierte Gebiete das Feld so fokussieren, dass
das lokale Feld den Durchbruchswert übersteigt. Dann
kann sich ein Streamer entwickeln (Abb. 2). Der leitende
Streamer-Kanal ist von einer dünnen Raumladungsschicht umgeben. Diese Schicht schirmt das Innere
elektrisch weitgehend ab und verstärkt das elektrische
Feld vor der wachsenden Spitze. Dadurch übersteigt
100
50
0 y
–50
Abb. 3 In der Simulation lässt sich zeigen, wie zwei Streamer miteinander
wechselwirken. Zwei nach unten laufende Streamer stoßen sich elektrisch ab (a),
aber sie können die elektrostatische Abstoßung auch überwinden durch nichtlokale Photoionisation und miteinander
verschmelzen (b). (a) zeigt ein Niveau
gleicher Elektronendichte ne und (b)
zeigt ein Niveau gleicher Raumladungsdichte n+ – ne (rot) und das lokal verfeinerte numerische Gitter (grün) [5].
das Feld dort die kritischen 32 kV/cm, sodass der
Kanal weiter wachsen kann.
Um numerisch zu berechnen, wie sich das dünne
Raumladungsgebiet bewegt, ist es nötig, das numerische Gitter lokal zu verfeinern. Die Methode wurde
erst für einzelne radial symmetrische Streamer entwickelt; dabei rechnet man nur in zwei räumlichen Koordinaten (r, z). Da Streamer aber elektrisch miteinander
wechselwirken können, sind zehn Streamer nicht einfach gleich der Summe von zehn einzelnen Streamern.
Wechselwirkende Streamer erfordern vollständig
dreidimensionale Gitterverfeinerung. Damit konnten
Alejandro Luque und Willem Hundsdorfer jetzt zum
ersten Mal numerisch die Wechselwirkung zweier
Streamer untersuchen [5] (Abb. 3). Auch das Studium einer periodischen Anordnung gleicher Streamer liefert
Informationen über ihre Wechselwirkung [6].
Entladungen im Experiment
Im Labor entstehen meistens viele Streamer gleichzeitig. Verzweigte Streamer-Bäume in normaler Luft können jetzt mit Nanosekunden-Auflösung fotografiert
werden (Abb. 4). Mit zunehmender Spannung nimmt
ihre Dicke und Geschwindigkeit rasch zu. Das ist auch
theoretisch einigermaßen verstanden. Die höchste
Spannung in diesen Experimenten betrug 80 kV [7],
während die Spannungen in Gewitterwolken 100 MV
erreichen können. Darum ist zu erwarten, dass die
DIE PHYSIK ALISCHE ÄHNLICHKEIT VON STREAMER- UND SPRITE-ENTLADUNGEN
Die laufenden Spitzen der StreamerEntladungen (Abb. 2 – 4) verhalten sich
physikalisch ähnlich, wenn sich die
Gasdichte verändert. Der Prozess wird
nämlich bestimmt durch die Stöße einer niedrigen Konzentration von Elektronen mit den zahlreichen neutralen
Molekülen im Gas. Wenn die Elektronenenergie beim Stoß höher ist als die
Ionisierungsenergie des Moleküls, kann
ein neues Elektron-Ion-Paar entstehen.
Die Wahrscheinlichkeit hierfür wird
durch das Produkt von freier Weglänge
L des Elektrons und lokalem elektrischen Feld E bestimmt. Die freie
Weglänge L ist umgekehrt proportional
zur Gasdichte n. Deshalb beschleunigt
dasselbe E/n die Elektronen auf dieselbe Geschwindigkeit v und führt zu
denselben Ionisierungsraten, auch
wenn sich die Dichte n verändert. Alle
Längen- und Zeitskalen skalieren daher
wie 1/n, die elektrischen Felder wie n.
Die elektrischen Spannungen als Produkt von Feld mal Länge verändern
sich daher nicht mit n.
Weil die Luftdichte in 80 km Höhe
105-mal geringer als auf Meereshöhe ist,
fallen auch alle Längen- und Zeitskalen
105-mal größer aus. Deshalb entspricht
ein Zentimeter einer Streamer-Entladung auf Meereshöhe (Abb. 4) einem
Kilometer in einer Sprite-Entladung in
80 km Höhe (Abb. 6), wenn sie durch dieselbe elektrische Spannung angetrieben werden. Dies ließ sich jetzt auch
experimentell sehr gut bestätigen [9].
Eine Dimensionsanalyse unter Einschluss der Poisson-Gleichung für das
elektrische Feld zeigt, dass der Ionisierungsgrad zur Gasdichte n proportional
ist. Die Ohmsche Erwärmung pro Gasmolekül im Streamer-Kanal skaliert
mit n2. Streamer in dichteren Medien
heizen sich demnach stärker auf.
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Abb. 4 Die Streamer-Entladungen starten von einer Nadelelektrode oben in der
Mitte jedes Bildes und laufen über 4 cm
Abstand in normaler Umgebungsluft
zu einer Plattenelektrode unten [7]. Die
Bilder mit einer Belichtungszeit von nur
2 ns (rechts) zeigen, dass nicht der ganze
Entladungskanal glimmt, sondern nur
seine wachsenden Spitzen. Die länger
belichteten Bilder (links) zeigen daher
die Spuren, welche die Spitzen der Entladungskanäle während der Belichtung zurückgelegt haben. Ein Vergleich der oberen und der unteren Reihe lässt erkennen, dass die Streamer sechsmal dicker
und 15-mal schneller werden, wenn die
Spannung um weniger als einen Faktor
zwei zunimmt. Die dünnsten Streamer
haben einen Durchmesser von 200 Mikrometern und eine Geschwindigkeit
von 105 m/s.2)
30 kV
54 kV
300 ns
2) Dreidimensionale
Rekonstruktionen
solcher Entladungen
sind in [8] zu finden.
Belichtungszeit
2 ns
elektrischen Felder an den Spitzen von GewitterStreamern viel höher ausfallen, denn sie sind durch
Spannung und Streamer-Dicke bestimmt.
Ein Streamer-Baum (oder eine Streamer-Corona)
allein kann allerdings nicht direkt zum Kurzschluss
zwischen Wolke und Erde und damit zum sichtbaren
Blitz führen. Zurzeit wird meist angenommen, dass die
Ströme in Streamern so schwach sind, dass die Luft kalt
bleibt und daher nach weniger als einer Mikrosekunde
in ihren nichtleitenden Gleichgewichtszustand zurückkehrt. Für Gewitter-Streamer mit ihren hohen Spannungen braucht das jedoch nicht so zu sein.
Der Streamer-Baum bahnt aber den Weg für den
„Leader-Kanal“, der sich durch seine stark gebündelten
elektrischen Ströme ohmsch aufheizt, und der durch
seine größere elektrische Leitfähigkeit das elektrische
Potential von der Wolke zur Erde transportieren kann.
Für den gesamten Streamer-Leader-Baum gibt es
derzeit immerhin phänomenologische Modelle. Neue
Filme mit 66 000 Bildern pro Sekunde (z. B. von Geoff
McHarg von der US Air Force Academy) zeigen allerdings einen tastenden, stochastischen Prozess, den diese Modelle nicht beschreiben: Die Entladung kann sich
offenbar auch aus einem schon geschaffenen Kanal
wieder zurückziehen und anderswo weiterwachsen.
Hier besteht noch sehr viel Forschungsbedarf. Nicht
zuletzt bestimmt der Streamer-Leader-Prozess, wo ein
Blitz in die Erde, ein Gebäude, eine Windmühle oder
ein Flugzeug einschlägt.
Über den Wolken
Unsere Atmosphäre liegt im Grunde zwischen zwei
ebenen Elektroden, die untere ist die Erde, die obere
die durch Sonnen- und kosmische Strahlung stark io42
Physik Journal 8 (2009) Nr. 12
nisierte Ionosphäre, die nachts auf 80 bis 90 km Höhe
beginnt. Die Luftdichte nimmt mit der Höhe exponentiell ab, mit einem Faktor 10 über eine Höhendifferenz
von 16,6 km. Daher nimmt die freie Weglänge von
freien Elektronen mit der Höhe zu, und effektive Stoßionisierung tritt schon bei niedrigeren elektrischen
Feldern auf (Infokasten). Der spätere Nobelpreisträger
Charles Wilson schlug deshalb schon 1925 vor, dass
wegen des viel niedrigeren Durchbruchsfeldes Entladungen auch in der dünnen Luft hoch über Gewitterwolken entstehen könnten. Es dauerte aber bis 1990,
bis sie in der wissenschaftlichen Literatur beschrieben
wurden. Im Laufe der 90er-Jahre konnten Forscher einen ganzen Zoo der sog. „Transient Luminous Events“
(TLE) oberhalb der Gewitterwolken entdecken (Abb. 5).
Um keine beschreibende Terminologie einzuführen, die
sich später als falsch herausstellen könnte, wählten die
Entdecker Namen von Wesen aus Shakespeares Sommernachtstraum: Sprites (Riesenblitze, die aus der Ionosphäre nach unten schießen), Elves (expandierende
Ringe an der Unterkante der Ionosphäre), Jets (Blitze,
die aus der Wolke nach oben schießen), später Gnomes
und Pixies (kleinere Entladungen über der Wolke).
2002 kamen schließlich noch die Gigantic Jets hinzu
(Jets, die in einen Sprite übergehen und die Wolke mit
der Ionosphäre elektrisch verbinden), und es wurde
deutlich, dass man bei den horizontal ausgedehnten
Erscheinungen an der Unterkante der Ionosphäre zwischen Elves und Halos unterscheiden muss. Insgesamt
sind Sprites (Abb. 6) und Elves die häufigsten TLE.
Zur Erklärung von Sprites wurden zwei Mechanismen vorgeschlagen: Der erste nimmt an, dass es sich
um Lawinen von hochenergetischen relativistischen
Elektronen aus dem Kosmos handelt, die in den elektrischen Feldern des Gewitters beschleunigt werden
und Lawinen bilden. Der zweite Mechanismus identi-
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a
b
t = 1,66 ms
g
c
t = 2,06 ms
h
t = 3,66 ms
Ionosphäre
Troll
Gigantic
Jet
50
Tendrils
Stratosphäre
Blue Jet
Pixies
Troposphäre
0
100
Ausdehnung in km
Abb. 5 Mittlerweile ist es gelungen, eine
große Vielfalt von Entladungsphänomenen über den eigentlichen Gewitterwolken zu beobachten. Erdoberfläche und
Ionosphäre lassen sich dabei näherungs-
200
D. D. Sentmann/Univ. of Alaska in Fairbanks
Sprite
Mesosphäre
weise als Äquipotentialflächen betrachten. Unter der Gewitterwolke sind normale Blitze zu sehen, die positive (rechts)
oder negative (links) elektrische Ladung
von der Wolke zur Erde transportieren.
jetzt begonnen, Formen und Spektren von möglichen
Sprite-Entladungen z. B. auf Venus und Jupiter im
Labor zu untersuchen.
Gammablitze und Gewitter
Die Entdeckung irdischer Gammastrahlungspulse
aus der Erdatmosphäre im Jahr 1994 verdanken wir
einem schlecht ausgerichteten Satelliten, der eigentlich
kosmische Gammastrahlung messen sollte. Dank Beobachtungen vom Boden, von Flugzeugen, Ballons und
Satelliten ist inzwischen klar, dass täglich mehr als 50
terrestrische Gammastrahlungspulse auftreten. Dabei
können einzelne Gammaquanten Energien von bis
t = 2,26 ms
e
t = 2,46 ms
j
t = 6,26 ms
Elve
Halo
d
i
t = 4,66 ms
100
Höhe in km
fiziert Sprites mit klassischen Streamer-Entladungen.
Inzwischen haben Beobachtungen von Sprites und
Streamern mit einer sehr guten Auflösung in Raum
und Zeit ihre physikalische Ähnlichkeit quantitativ
bestätigt. Bei Streamern im Labor sind bei hinreichend
kurzer Belichtungszeit nur die wachsenden Spitzen der
leitenden Kanäle zu erkennen und nicht die ganzen
Kanäle (Abb. 4). Dasselbe Phänomen ließ sich inzwischen auch bei Sprite-Entladungen beobachten [11].
Im Gegensatz zu Blitzen zwischen Wolke und Erde
besteht die zweite Phase einer Sprite-Entladung nur
aus Streamern ohne Leader-Kanal, die dritte Phase
des elektrischen Kurzschlusses fehlt völlig. Dadurch
ist der Sprite viel einfacher zu verstehen als der Blitz.
Der Sprite bleibt in der Streamer-Phase stecken, weil
infolge der Ähnlichkeitsgesetze der Ionisierungsgrad
und damit die Ohmsche Erwärmung bei geringerer
Luftdichte viel geringer ist (Infokasten).
Die Ähnlichkeit von Streamern und Sprites bietet
große Chancen für die Zusammenarbeit zwischen
Plasmaphysik und Geophysik. In der Atmosphäre
beobachtete Sprite-Phänomene (Abb. 6 a-i) ließen sich
inzwischen mit einem realistischen Höhenprofil für
Luft- und Elektronendichte in unseren Simulationen
nachvollziehen (Abb. 6 j-l) [12]. Sie reproduzieren z. B.
das Entstehen der Sprite-Halo und des ersten dicken
Sprite-Kanals, der nach unten schießt (wie in Abb. 6c).
In den Beobachtungen ist während der Zeitschritte
3,06 und 3,66 ms (Abb. 6 f-g) zu erkennen, dass Entladungskanäle aus dem rechten Baum beinah senkrecht
auf Kanäle aus dem mittleren Baum zulaufen und dort
scheinbar enden. Ein ähnliches Verhalten haben wir
jetzt in stereografischen Aufnahmen von Streamern
gesehen. Dreidimensionale Rekonstruktionen von Sander Nijdam bestätigen, dass sich die Kanäle wirklich
anziehen und nicht hintereinander vorbei laufen [8].
Aufgrund dieser guten Übereinstimmung zwischen
Sprites und Streamern in irdischer Luft haben wir
f
t = 2,66 ms
k
t = 2,75
Abb. 6 Ein Film
mit 5000 Bildern
pro Sekunde zeigt
eindrucksvoll, wie
sich ein Halo (a-c)
und die darauf folgende Sprite-Entladung (d-i) über
einer Gewitterwolke entwickeln [10].
Die Lichtemission
eines Halo und eines beginnenden
Sprites lässt sich
jetzt auch simulieren (j-l) [12]. Die Bilder zeigen Höhen
von 40 bis 85 km,
die Simulationen
den Ausschnitt
von 55 bis 85 km.
t = 3,06 ms
l
t = 3,50
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t = 4,42
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NASA/GSC
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Abb. 7 Diese Beobachtungen des Satelliten RHESSI zeigen terrestrische Gammastrahlung (weiße Kreuze) [13]. Die
Verteilung stimmt recht gut mit der
Häufigkeit der Blitze überein (vgl. Abb. 1).
zu 35 MeV erreichen [13]. Die Verteilung dieser Pulse
deutet darauf hin, dass sie sicher mit Gewittern zusammenhängen und häufig einige Minuten vor Blitzentladungen auftreten [14] (Abb. 7).
Bei der Gammastrahlung kommen ähnliche Fragen
wie bei Blitzen und Sprites auf. Kann die klassische
Gasentladungsphysik die Beobachtungen erklären?
Oder müssen energetische Teilchenschauer aus dem
Kosmos helfen? Sind die elektrischen Felder in der Gewitterwolke stark genug für eine klassische Entladung?
Das hohe elektrische Feld vor der Streamer-Spitze
ist eine mögliche Quelle der Gammastrahlungspulse.
Dafür spricht, dass sich harte Röntgenstrahlung mit
einer Energie von über 200 keV auch von meterlangen
Funken erzeugen lässt, die bei Spannungen von 1 MV
entstehen. Möglicherweise steht derselbe physikalische
Mechanismus dahinter. Vuong Nguyen und Lex van
Deursen in Eindhoven haben in ihrer experimentellen
Untersuchung von harter Röntgenstrahlung aus langen
Funken als erste gezeigt, dass diese Strahlung während
der Streamer-Leader-Phase entsteht [15].
Um die harte Strahlung aus Streamern und Leadern
theoretisch zu verstehen, gilt es nun, die Elektronen
und ihre Energieverteilung an der Streamer-Spitze zu
untersuchen. Diese Verteilung befindet sich nämlich
extrem fern vom Gleichgewicht und besitzt einen „langen Schwanz“ bei hohen Energien. Elektronen mit hohen Energien sind durch Bremsstrahlung in Luft in der
Lage, Röntgen- oder Gammastrahlung zu emittieren.
Die Elektronenenergien an der Streamer-Spitze hat
Chao Li numerisch untersucht. Ihm ist es gelungen, ein
statistisches Monte-Carlo-Modell für einzelne Elektronen an der Streamer-Spitze an eine Dichte-Näherung
für die vielen Elektronen im Innern des Streamers
zu koppeln. Die ersten Ergebnisse seiner vollständig
dreidimensionalen Simulationen zeigen, dass die Feldverstärkung an der Streamer-Spitze ausreicht, um Elektronen über Energien von 200 eV hinaus zu beschleunigen [16]. Bei höheren Elektronenenergien nimmt der
Stoßquerschnitt mit den Luftmolekülen gemäß der
Bornschen Näherung stark ab [2, 3]. Dann reichen auch
geringere Felder aus, um die Elektronen immer weiter
zu beschleunigen.
In Zusammenarbeit von Theorie und Experiment
entwickeln wir das Verständnis von Streamern. Hier
konnte ich nur einen kleinen Ausschnitt der vielfältigen Aspekte darstellen. Zu diesen zählen Durchmes44
Physik Journal 8 (2009) Nr. 12
ser und Geschwindigkeit der Streamer, genauso wie
ihr Aufspalten und Auslöschen, die Wechselwirkungen
untereinander und mit der Strom-Spannungs-Quelle,
die Abhängigkeit von Zusammensetzung und Dichte
des Gases, die Emission energiereicher Strahlung,
chemische Umsetzungen und schließlich das Aufheizen und der Übergang in die Leader-Phase. Die dabei
gewonnenen Erkenntnisse werden sicherlich noch
viele spannende Einsichten darüber liefern, wie Sprites
und Blitze sich entwickeln.
Die vielfältigen technischen Anwendungen lassen
sich im Rahmen dieses Artikels nicht behandeln. Doch
sie haben einen Investierungsschub durch die niederländische Technologie-Stiftung STW im Rahmen des
Programms „Building on Transient Plasmas“ erhalten.
Interessenten an Doktoranden- oder Postdoc-Stellen
werden hiermit gebeten, sich mit der Autorin oder ihren
Eindhovener Kollegen in Verbindung zu setzen.
*
Mein Dank geht an M. Arrayás, F. Brau, T. Briels,
W. Brok, G. Derks, W. Hundsdorfer, G. Kroesen, Chao
Li, A. Luque, B. Meulenbroek, C. Montijn, V. Nguyen,
S. Nijdam, G. Pemen, V. Ratushnaya, L. Schäfer, Y. Takahashi, S. Tanveer, J. van der Mullen, L. van Deursen,
B. van Heesch, E. van Veldhuizen, H. Winands,
G. Wormeester und Y. Yair.
Literatur
[1] W. Rison et al., Geophys. Res. Lett. 26, 3573 (1999)
[2] A. V. Gurevich, G. M. Milikh und R. Roussel-Dupré, Phys. Lett. A
165, 463 (1992)
[3] A. V. Gurevich und K. P. Zybin, Physics Today, Mai 2005, S. 37
[4] M. Füllekrug und U. Ebert, Physik Journal, Februar 2004, S. 17
[5] A. Luque, U. Ebert und W. Hundsdorfer, Phys. Rev. Lett. 101,
075005 (2008)
[6] A. Luque, F. Brau und U. Ebert, Phys. Rev. E 78, 016206 (2008)
[7] T. Briels, J. Kos, G. J. J. Winands, E. M. van Veldhuizen und
U. Ebert, J. Phys. D 41, 234004 (2008)
[8] S. Nijdam, C. G. C. Geurts, E. M. van Veldhuizen und U. Ebert,
J. Phys. D 42, 045201 (2009)
[9] T. Briels, E. M. van Veldhuizen und U. Ebert, J. Phys. D 41,
234008 (2008)
[10] S. A. Cummer et al., Geophys. Res. Lett. 33, L04104 (2006)
[11] H. C. Stenbaek-Nielsen, M. G. McHarg, T. Kanmae und
D. D. Sentman, Geophys. Res. Lett. 34, L11105 (2007)
[12] A. Luque und U. Ebert, Nature Geoscience 2, 757 (2009)
[13] D. M. Smith, L. I. Lopez, R. P. Lin und C. P. Barrington-Leigh,
Science 307, 1085 (2005)
[14] D. M. Smith, www.agu.org/meetings/chapman/2009/bcall
[15] C. V. Nguyen, A. P. J. van Deursen und U. Ebert, J. Phys. D 41,
234012 (2008)
[16] C. Li, U. Ebert und W. Hundsdorfer, J. Phys. D 42, 202003 (2009)
DIE AUTORIN
Ute Ebert (FV Dynamik und Statistische
Physik und FV Plasmaphysik ) studierte
Physik an der Universität Heidelberg und
promovierte an der Universität Essen.
Nach einer Postdoc-Zeit am Lorentz-Institut der Universität Leiden (Niederlande)
ging sie 1998 zum Forschungsinstitut Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam. Seit
2002 leitet Ute Ebert am CWI die Forschungsgruppe „Multiscale Modeling and Nonlinear Dynamics“ und ist Physikprofessorin an der TU Eindhoven.
© 2009 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim